轴流式水轮机转轮无油润滑设计方向

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轴流式水轮机转轮无油润滑设计方向

[瑞典] H.林德索约等

随着环保意识和环保要求的不断提高，在水轮机转轮中使用润滑油的方案逐渐被取代。讨论了轴流式水轮机转轮无油润滑技术的设计方向，并指出轴承材料的选择对避免轴流式水轮机出现高周疲劳问题很关键。

无油润滑技术；轴承材料；轴流式水轮机

卡普兰在100 a以前发明了转轮叶片可转动的轴流式水轮机。一直以来，转桨式转轮的机械设计通过利用当时的最佳技术不断得以改进。传统的转浆式水轮机转轮叶片由金属轴承和调节机构及液压调节器操作。这些转轮轮毂里充满了油，以达到防腐蚀并润滑叶片轴承和调节器滑动部件的目的。

然而，油和河水之间的单层密封在动态条件下(例如瞬态下叶片负荷变化时的旋转和平移)工作时，也会有面临环境风险的可能。随着环境意识的提高，相关标准的实施，如ISO 14000(要求不断改进环境影响)，且在许多国家立法要求使用“环境友好产品”，从而刺激了转轮从充油到无油的技术转变。自20世纪70年代末起，在一大批小型标准水轮机积累到经验后，当前的无油转轮的设计理念最初在斯堪的纳维亚得到发展，该地区以湖泊和河流水质达到饮用水标准质量而闻名。现代嵌入式润滑轴承材料的出现使这种发展成为可能。基于独立调查员和供应商的广泛内部测试和分析，以及大量现场应用的反馈和经验，最终先进的轴承理念脱颖而出。

目前，世界范围内轴流式水轮机转轮稳定运行30多年以上的案例有180多个，其中使用先进轴承设计理念的最新一代转轮有70多个。湄公河上新建成的沙耶武里(Xayaburi)水电站就是实例之一,该水电站7台轴流式水轮机转轮直径均为 8.6 m，表明转轮无油润滑技术在国际上的突破。

1 水轮机无油润滑技术的发展

1980年安德里茨水电公司在瑞典的达尔斯蒂加(Dalstuga)水电站首次采用了轴流式水轮机无油润滑技术。这一时期的转轮都很小，在中等水头下运行。轮毂的设计也很简单，叶片没有任何密封。某些情况下，轮毂甚至与外界直接接触，并有淡水在里面循环。伺服电机安装在机组的顶部，轮毂的传动轴由轴系的拉杆相连接。几年后，位于奥地利的林茨办公室设计出第一台无油润滑水轮机。第一代无油转轮水轮机共交付了大约90台，直径 0.67～3.8 m，适用水头范围为 1.9～34.9 m。

无油转轮的进一步发展始于20世纪90年代(第二代)，并在21世纪初得到加速发展(第三代)。二代转轮是迈向带有轮毂伺服电机全尺寸、高级转轮的重要一步，其他特点也与现代转轮类似。二代转轮系列直径 1.25～3.7 m，适用水头为11～43 m，典型例子为用于罗特衲(Rottnen)水电站的水轮机。20世纪90年代末和21世纪初，无油转轮在芬兰的坦佩雷(Tampere)和瑞典的克里斯蒂娜港(kristinehamn)得到新发展。同时，在之前提到的其他地区，无油转轮技术也得到持续发展。第三代无油转轮直径高达 7.5 m(沙耶武里水电站设计中得到再次突破，直径达 8.6 m)，适用于水头高达51 m的全尺寸高端设计。机组更新改造也促进了这类转轮的发展。约有20个充油转轮案例运用多个设计理念及几何层次的改造方案，被重新设计成无油转轮，从而开启了无油转轮新的设计空间。

安德里兹水电公司收购GE水电(那时同时包括坦佩雷和克里斯蒂娜港设计)和瓦普兰斯(Waplans)公司后，对这些设计理念进行了整合。在此过程中，该公司投入巨大精力收集、分析并记录了其不同的设计理念、背景及所有经验。最终得到一系列的设计指导方针，包括转轮轮毂的设计，更具体地说是如何使用复合轴承来完成其设计。

从总体数量统计看，第三代轴流式水轮机无油转轮大约有90个，其中超过70个转轮配备当今先进的复合轴承材料，一些转轮无故障下运行已超过10 a。

2 功能要求

与大多数成熟的机械设计一样，轴流式水轮机转轮的设计要在有限的空间与所需功能中进行权衡。转轮毂比、水力性能和成本之间的平衡最为重要。对于一台新的水轮机，毂比越小转轮直径便越小，进而缩小水轮机的整体尺寸，最终降低土建工程成本。在改造工程中，毂比越小，空蚀性能越好，水轮机也能排出更多的水。在某些情况下，这会直接影响到项目的可行性。

然而，减小毂比会影响转轮的机械性能。如果一个给定设计的毂比减小了(通过缩放所有的几何参数)，无疑会导致应力升高、接触压力升高、变形增大、疲劳寿命缩短以及磨损加剧。即使一开始似乎是危言耸听，但反应却是直观的。现代分析显示现有高轮毂比转轮的剩余疲劳寿命超过1 000 a，这提供了一些权衡疲劳寿命与轮毂比的思考方向。若是以降低液压性能或增加投资成本为代价，1 000 a的寿命便没有任何收益。

以下对那些影响到疲劳寿命、磨损期限和功能安全的参数进行讨论。这些参数大多数在无油或是充油转轮轮毂设计中都保持一致。主要的区别在于，使用无油轮毂时，需从疲劳分析方面考虑轮毂环境对装置的腐蚀性，这也需要提高疲劳分析的精确度。

2.1 磨损寿命

磨损与磨损行程、表面压力和磨损系数相关。磨损行程主要取决于水轮机转轮的运行特性，而表面压力却是由外加负载和轮毂的几何形状决定的。磨损系数主要取决于轴承材料，尽管滑动速度、表面光洁度和表面压力也会带来一定的影响。

为了一次调频有效，转轮操作机构的快速响应至关重要(反应慢意味着转轮叶片和导叶之间的结合将脱离组合曲线，导致功率饱和)。因此，运行方式对给定水轮机的磨损寿命有着巨大的影响。研究表明，相较于水位控制，一次调频会导致磨损寿命减少约20倍。自动二次调频(负载频率控制或类似)将导致高的，甚至可能更高的磨损率。这些磨损期限的变化是磨损行程参数变动导致的结果：调节越多，磨损行程越长。

表面压力参数会受转轮轮毂设计的影响，因此可以通过巧妙的机械设计来延长磨损寿命。增加轮毂比及/或优化轮毂的几何结构可以降低表面压力(减少磨损)。

增加毂比将直接影响到液压性能和成本之间的权衡，因此在规格设计阶段就考虑这些是非常重要的。如果该水轮机不用于高频调节(例如一个径流式体系中不允许这样调节)，在确定产品规格时应明确此点。调节周期越短(调节越少)，应用的毂比则可较小，这样就可降低新水轮机的成本及(或)增加升级改造水轮机时的最大排水量和相应的输出功率。另一方面，若升级改造时无法通过增加水轮机排水量及输出功率来获利，那么就延长该水轮机寿命则会取得更高收益。

转轮轮毂几何结构的优化同样是一个需要权衡的问题。优化轴承压力某种程度上是平衡内外叶片轴承和叶片推力轴承之间的负载问题。甚至链接运动、杠杆方向(领先或落后于旋转方向)及转轮叶片的转矩特性都会影响轴承压力。此外，疲劳寿命和功能安全之间有一个折中方案。对于给定毂比的转轮增加其外轴承直径(以减少轴承表面压力)将导致高应力区域材料减少，进而影响疲劳寿命和装置变形。尤其对于一些轴承材料来说，过度的变形会降低功能安全性(轴承箱的椭圆化可能导致叶片轴夹紧)。由此可得，表面压力并不是唯一的优化目标。变形、应力和疲劳寿命都需考虑在内，要想得到一个好的设计，需要适当平衡这些参数。

尽管如此，轮毂的几何形状和轮毂比并不意味着能完全恢复磨损寿命和修复一次调频带来的影响。轮毂几何形状及轮毂比的影响比水轮机运行模式带来的影响小一个数量级。然而，由于磨损系数在磨损中起到更大的作用，就需要对轴承材料性能有深入彻底的研究。有专家认为常用的轴承材料之间存在高达50倍的磨损率差异。由此可知，选择合适的轴承材料时，磨损特性是一个非常重要的参数。

2.2 疲劳寿命

轴流式水轮机轮毂设计中的主要问题是高周疲劳(应力远低于材料的屈服点)。高周疲劳寿命主要受平均应力、应力振幅和材料性能的影响。

在轴流式水轮机轮毂中，应力振幅的主要来源为转轮叶片驱动机构的摩擦带，主要取决于外径向叶片轴承和叶片推力轴承。此外，根据运行调控模式，转轮叶片的转矩特性也是影响因子。

由于水轮机转轮轮毂的内部环境要考虑到腐蚀性，材料没有疲劳极限。因此，转轮必须设计有一定量的负载周期。负载周期的数值高度依赖于水轮机的调节模式以及水轮机调速器参量和定位反馈系统的质量。研究表明，将水位控制转换成一次调频可以使负载周期的数值增加50～100倍。安德里茨水电公司在各国水轮机采取的措施(不同的调速器、调节策略和图格编码)表明，考虑初始调频确定维度时， 40多年中总共1 000万个调节周期(685周期/d或大约每两分钟一个周期)是合理并略显保守的标准。

2.3 功能安全

对于功能安全，有几个重要的因素。其中需要重点考虑的是轮毂的变形及其内部组件。无油润滑轮毂上遇到的一些功能性问题被归于外叶片轴承孔的椭圆化，这在轴承表面上增加了法向力，从而增加了40%的摩擦力矩。自润滑金属轴承似乎对这种现象更为敏感，而复合轴承似乎在这方面显得承受力更强、更可靠。在任何情况下，必须对这种现象进行评估，特别是对于高负载的轮毂。

如图1所示，箭头代表耳轴与轴承之间的接触法向力向量，阴影部分表示无任何接触。分析始于非常高的所需作用力，经分析计算该力远高于预期。外轴承是一种自润滑金属轴承，其显然来自a点所指的接触压力。只有在轴承中边缘和最初的几毫米这样很小的一部分，才会和耳轴接触且接触压力峰值很高。因动轮毂的椭圆化，其接触角大于180°；从b点可以看到，因轴承倾斜，接触面从轴承c外转移到内。同样，叶片推力轴承的接触角就很小(见d点)。

图1 转轮叶片轴承上的表面压力与法向力示意

虽然使用的轴承材料的摩擦系数相对较高，但这还不足以解释高测力的原因。有限元(FE)分析常常用来研究由动轮毂、轴承、耳轴和杠杆组成的耦合模型，这能阐明研究结果。轮毂椭圆化引起法向力大幅增大，导致测得的力很高。因不可能更换新轮毂，为此应践行安德里茨水电轴承理念，即优化轴承间隙以减轻畸变造成的影响。至今转轮已经运行了18个月，测力与计算值一致且运行正常。值得一提的是，该转轮是克里斯蒂娜公司开发的转轮组(合计17个转轮)的一部分，但安德里茨水电公司不再运用转轮组相应的轴承设计理念。

此外，功能的安全性必须通过反复运用已认可并得到测试的设计理念来增强。在新理念提出的情况下，需要进行彻底分析并格外关注设计评审。问题往往发生在微小的细节部分，故应特别关注像套管固定、密封设计、螺栓锁系统等细节。重要的是要建立一个完善的并以以往经验和分析为基础的设计评审程序，这就离不开坚实而广泛的文献研究。

转轮轮毂的装配和工厂验收测试(FAT)对功能安全也意义重大。详细记录、经过验证的工作流程和操作指令，以及在最终安装前对所有部件和组件的逐一核查，均会起到事半功倍的效果。

腐蚀是另一个可能影响功能安全的参数。因此，设计针对碳钢部件的防腐系统时应在材料的选择上多下功夫。轮毂内部环境的腐蚀性可通过水脱氧(是否使用化学品)或用阻蚀剂得到缓解。然而，还应关注其最终会不会产生预料不到的后果，如是否会对材料性能产生负面影响，或者是否会引入带来环境问题的新化合物。依靠材料的选择及最终向水中注入添加剂，可能是轮毂无保护碳钢表面腐蚀减少的原因。如果使用复合轴承材料，供应商必须使用一致的质量检验程序。莫斯等研究者的汇总报表已被安德里茨水电公司作为这方面的参考框架之一。该公司轴流式水轮机无油润滑转轮新技术应用中的几次失败，可以归因于不同批次轴承材料间的差异。在实验室测试期间，该案例中使用的材料，表现出良好的抗摩擦性(在此特定案例中，因某种原因显示其为最重要的因素)，并在实际应用中也表现良好。然而，卡顿等描述的项目中提供的轴承性能不及先前所测试的轴承，供应商将一些原因归结于分包商更换了部分轴承材料。由此带来的过多摩擦和磨损，导致转轮在调试后几天内就出现了故障。不过，向安德里茨水电公司提供轴承材料的供应商可以通过破坏实验来评估各批次轴承材料的差异。此外，轴承的质量证书和质保证书正成为最终文件的一部分。

3 轴承的选择标准

从上述列出的功能要求(磨损寿命、疲劳寿命和功能安全)可以明显看出，永久润滑轴承的性质和性能对轮毂整体性能的发挥极其重要。因此，关于轴承选择适宜标准的讨论必不可少。

如上所述，摩擦系数和磨损系数是影响转轮轮毂机构寿命长短的主要参数。因此很显然，在这两者之间进行折中是非常重要的：低摩擦高磨损率没有任何意义，反之亦然。选择轴承材料最重要的标准如下：①摩擦系数；②磨损系数；③水内溶胀；④组装后的切削加工性能；⑤弹性模量。

此外，拥有一个高度专业化、高质量标准的供应商是极其重要的。

3.1 摩擦系数

摩擦系数影响伺服电机的尺寸(这影响轮毂的最小可能直径)、轮毂组件的静态尺寸和疲劳寿命(通过摩擦带)。只要不给磨损寿命带来负面影响，优先选择尽可能低的摩擦系数。避免选择有粘滑运动倾向或随着时间推移摩擦系数往不可预测方向发展的轴承材料也很重要。

轴承材料首选PFTE，配合使用其他降低摩擦的化合物。它们表现出合理的低摩擦性(在实际应用时，扁平试样ft标准值低于 0.1)。这一点已被专业测试装置室内测试证实。此外，不管是在调试中或是运行一段时间之后，安德里茨水电公司通过现场测量均完成了系统层面的连续确认。此确认过程的目的是跟踪评估轴承材料的性能发挥并更新模拟轮毂机械运动和摩擦的室内开发工具。轴承材料的选择经过了反复的测试和监测。

实验室测试和现场测量的结果均未显示出粘滑运动的问题。实验室测试结果表明，摩擦力随时间变化，且摩擦系数受表面压力的影响，最初运行过程中这些现象反复出现。摩擦系数随时间增加而减小，随表面压力的增大而减小。这些观察结果都可以解释为润滑剂从轴承材料到轴承表面的与压力有关的扩散过程，这是复合型轴承的特性。

3.2 磨损系数

磨损系数明显影响轮毂的磨损寿命。除了磨损系数外，磨损寿命也受轮毂设计和毂比的影响。模拟运行中轴承的磨损寿命相当困难。最近取得的进展已更好地诠释了磨损过程以及磨损对轴承摩擦转矩的影响。目前主要的选择标准就是找到磨损性能优于油润滑青铜轴承的材料，这是轴流式水轮机转轮传统的解决方案。

相比油润滑青铜材料，所选轴承材料的磨损系数相对较低。该材料也显示出与其他典型自润滑轴承材料相似或更低的磨损系数。内部测试(上述提到的试验装置)、独立测试人员以及轴承供应商都核实了这一点。最近，2个轮毂在运行多年后被拆除，轴承的磨损已被测量，与预期磨损一致。

波尔尤斯(Porjus)水电站的水轮机U9(波尔尤斯水电站研发机组之一)自1999年开始运行。运行的前几年里，测试了各种轮毂轴承材料的压力寿命。尽管这台水轮机的轴承高负荷运行，但所有轴承材料测出的磨损结果都非常适度。因为U9测试材料的磨损系数相接近或不及安德里茨水电公司选择的材料，波尔尤斯U9的测试支持了安德里茨水电公司的选择。

3.3 水内溶胀

水内溶胀明显威胁到轴流式水轮机轮毂的功能安全。溶胀使轴承间隙减小，从而导致摩擦扭矩的大幅增长，而这种影响容易使转轮叶片无法启动。不管转轮充水还是干燥，这项标准都十分重要。即使所谓的“干”的轮毂，也会常常有水渗漏至轮毂内。因为离心力的作用，这些水会被强制带至轮毂外壳，而外轴承正设置在此处。因此，即使有少量的水进入轮毂，外轴承也会很潮湿。由于从摩擦转矩角度来看，外轴承是最关键的部位，选择防水的特别是溶胀特性突出的轴承材料很重要。安德里茨水电公司选择的轴承材料在水中显示出的溶胀特性很轻微甚至可以忽略。

3.4 组装后的切削加工

安德里茨水电公司针对高端、大型轴流式水轮机轮毂的设计方案是轴承与转轮轮毂相匹配后再进行加工。其目的是为了将轴承间隙控制在一个狭窄的范围内，并确保轴承之间正确排列。所有这些因素对转轮轮毂的功能安全都至关重要。所选择的轴承材料非常适合用于适配后加工，且不需任何特殊工具或措施。

3.5 弹性模量

至于轴承材料的弹性模量，关键是选择金属基体轴承(弹性模量较高)还是复合或塑料轴承(弹性模量较低)。这代表了设计原则的重大抉择。低弹性模量和高弹性模量轴承在设计上有巨大的差异，其实用性还需重新评估。

安德里茨水电公司已经选择使用弹性模量比钢低得多的复合轴承。设计复合轴承意味着接受其存在变形现象的事实，而并不是试图消除这些变形，实际上这是一个控制和平衡变形的问题，以达到优化疲劳寿命、磨损寿命和功能安全的目的。其明显优势在于，可降低轴承接触面的压力峰值，更可能实现轴承之间负荷、高过载容量和边缘压力不敏感的平衡。基于经验，转轮机械设计中，复合轴承在应对负载的不确定性和可变性以及制造精度等方面都比金属轴承更有优势。这方面的经验来自多年来不同轴承设计理念的实现，以及一些意外事件。除了卡顿等提到的材料问题外，安德里茨水电公司还从未遇到过因低弹性模量轴承导致的转轮问题。对于自润滑钢铸的轴承，与那些主要因钢铸轴承导致的功能欠缺的案例不同，其经常伴有轴承箱(常存在于轴流式水轮机转轮中而与轴承材料的选择无关)的变形问题。

4 结 语

对于高端轴流式水轮机转轮的机械设计，需解决以下3个问题：磨损寿命、疲劳寿命及功能安全。

这些问题与客户价值、成本、环境性能及可维护性同等重要。实现这些价值的关键因素是轴承材料的选择。安德里茨水电公司已在轴流式水轮机无油转轮中选择了特定的复合轴承材料。应用这一理念运行了十几年的70多个新型转轮及20多个经更新改造的转轮已达到非常好的效果。

轴流式水轮机无油润滑转轮技术已得到应用，且是当今用于轴流式水轮机转轮最环保的技术。

刘布谷刘可薇译

(编辑：朱晓红)

TV73

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2017-03-02

1006-0081(2017)09-0041-05